抽油機減速器運行工況數字化管理系統的設計

胡小英，蘇 煒，胡加興，段存麗

（西安工業大學 光電工程學院，陜西 西安 710032）

眾所周知，抽油機的運行工況直接決定了油田的生產效益和經濟效益[1]，在油田作業中起著舉足輕重的作用，但作為抽油機的心臟——減速器[2]，它是抽油機工作組中將動力減速傳遞給抽油機的核心零部件，它的運行工況直接決定了抽油機采油效率及整個油田的經濟效益[3]。如果工作中出現因為潤滑油的質量問題而引起的震動、竄軸等問題[4]，輕者會降低工作效率，影響到減速機的使用壽命，重者將直接導致減速機無法正常運轉，從而造成抽油機停止工作[5]，直接影響油田的生產效益。針對油田管理自動化水平低，效率差，成本高等問題[6]，設計了油田抽油機減速器運行工況數字化管理系統，該系統通過外接安裝溫度、液位、電導率、及電流電壓等傳感器，可方便地實時監測抽油機減速器的工作狀況及其過程參數，實現抽油機的遠程啟動及運行工況的監控，超限停機聲光報警，實時獲取減速器油溫、油質、油位等參數信息。真正實現了“同一平臺、信息共享、多級監視、分散控制”，達到強化安全、過程監控、節約人力資源和提高效益的目的。

1 系統構成

整個系統是集傳感技術、微機控制技術、現場總線通信技術、采油工藝整體優化技術、自動控制技術、計算機網絡技術、數據整合技術、數據共享與交換技術，并結合油田特點，集成、整合現有的綜合資源于一體的數字化管理系統。以各井口處的抽油機減速器作為一個檢測節點，通過現場總線網絡系統進行子網互聯，將各個節點的狀態傳輸給檢測站，檢測站也可作為一個中間節點和更高一級的網絡互聯，這樣一級一級鏈接成一個油田現場綜合數字化檢測系統，在終極中央控制室中管理者可隨時查看各節點處的抽油機減速器的運行狀態，其原理框圖如圖1所示。

檢測報警終端的主要功能是將減速器現場的油溫、油質、油位等物理量轉換為與之相應的電信號并進行智能分析，實時檢測現場減速器的運行工況，當減速器的運行出現異常時能自動進行聲光報警，如果報警在較長時間內沒有采取措施，則可通過現場繼電器切斷動力電機電源以防止事故發生，達到強化安全、過程監控、節約人力資源和提高效益的目的。其組成原理框圖如圖2所示。

1）減速器油溫監測模塊

溫度傳感器選用Pt100熱電阻測溫系統，測量溫度范圍為－20～120℃；信號調理電路采用高精度的儀表放大電路AD620組成低通濾波器，對溫度信號進行橋式放大；AD轉換模塊采用片內AD；人機交互接口及顯示部分采用LCD，以便能在現場觀察潤滑油油溫，也可通過鍵盤設置上下限報警溫度，實現了電腦的“一鍵式”操作。

圖1 數字化油田減速器運行狀況檢測網絡原理框圖Fig.1 Network frame of reducer work detection in digitalized oilfield

圖2 現場檢測節點原理組成框圖Fig.2 Principle block diagram on-the-spot checkpoint

2）減速器油質監測模塊

圖3 Pt100溫度檢測電路Fig.3 T emperature detecting circuit of Pt100

電導率傳感器采用電極式傳感器，傳感器封裝在不銹鋼殼體內，通過密封螺紋可和減速器殼體進行安裝。當減速器潤滑油發生變質時電導率傳感器的電導率發生變化，加在電極兩端電橋上的輸入信號也發生變化，在電橋的輸出端利用差動放大器可以將該信號進行放大，再經過信號調理電路，可對現場的干擾信號進行濾波，最后經過AD轉換電路將模擬的電信號轉化為數字信號再送到現場處理單片機中進行處理，在單片機中對該電導率信號進行分析，通過LCD將測量結果顯示出來，同時可通過按鍵設置上下限值，以便控制聲光報警裝置進行報警。

3）減速器油位監測模塊

液位傳感器選用電子式微壓液位傳感器，將其封裝在不銹鋼殼體中，通過殼體外的密封螺紋和減速器油箱連接安裝。傳感器件采用霍尼韋爾高精度微壓力傳感器件，該器件可將液體上下表面的壓力差轉換為電信號，通過信號調理電路對該信號進行放大濾波，經過AD轉換后輸入單片機中進行處理，最終在上微機控制軟件系統中顯示。

4）單片機信息處理系統

該系統選用MICROCHIP公司的高性能工業級單片機PIC18F458，該單片機功能強大、帶有10位高性能的AD轉換器、抗干擾能力強、帶有現場總線CAN控制器，可方便組成現場總線測控系統。單片機的功能是將外圍電路采集的信號進行綜合分析處理，并通過現場總線網絡系統組成現場總線網絡和檢測站的計算機進行通信，保證計算機能夠觀察到檢測站現場各個節點的運行工況。

5）通信接口電路

通信接口電路選用RS485接口進行通信，傳輸協議采用MODELBUS協議，可方便的組成多節點的檢測系統，單網情況下其節點數目可以達到64個之多，如果要擴展可以通過中繼進行擴展。如圖4、圖5分別為RS485接口互聯電路及接口應用電路圖。

圖4 RS485接口互聯電路Fig.4 I nterface interconnection circuit of RS485

6）通信協議

通過MODBUS協議，控制器之間、控制器通過網絡和其他設備之間實現串行通信。采用MODBUS協議，不同廠商生產的控制器設備可以互連成工業網絡，實現集中監控。

7）隔離控制繼電器電路

圖5 接口應用電路Fig.5 I nterface application circuit of RS485

隔離控制繼電器電路由單片機控制并通過光電隔離防止對測量系統產生干擾，當系統控制節點發生異常且報警后，如果長時間沒有專業人員處理現場，為了避免發生意外，設置了強制電機斷電裝置，該裝置原理如圖6所示。

8）報警電路

現場聲光報警電路利用聲光報警和遠程報警相結合的方式，選用高亮度的LED和聲音報警電路，效果好，避免一種報警方式失靈引起的事故。報警電路由現場單片機控制，靈活有效。其原理圖如圖6所示。

圖6 聲光報警電路Fig.6 S ound-light alarm circuit

2 檢測站系統

檢測站系統主要由檢測控制計算機、現場總線通信接口卡組成。檢測站能對本區域內的抽油機減速器運行狀態進行數據自動采集分析及報警，檢測人員在檢測站可查看每一臺抽油機減速器節點的運行情況，而不必安排專業人員在每個檢測點守候或巡視，節省了勞動力，實現了檢測點數字智能化值守。

1）通信轉換接口卡

由于每一個現場節點采用了現場總線通信方式，而一般的工業控制計算機中不具有相關的現場總線控制接口，因此需要通過一塊通信接口卡將現場總線數據和計算機進行相連，一般選用PCI或者ISA內插式通信轉換卡。

2）現場檢測站軟件系統

該系統用VC++實現，其界面友好、操作簡單、功能強大。檢測軟件基于WINDOWS的MFC實現，通過單文檔或對話框實現，用戶只需用鼠標點擊區域內的各個節點號即可獲得該節點的抽油機減速器的工作狀況，如果某個節點發生報警，該軟件能夠自動獲取并報警，并且播報該節點的節點號，同時在界面上亮紅燈。

3 系統特點、先進性及創新性

1）采用基于現場總線的節點多參數監測技術，自動化程度高，使用方便直觀；

2）采用數據融合分析技術與自動識別算法，保證了系統結果的高可靠性和可參考性；

3）采用上位機和下位機協同的分布式現場總線控制方式，使系統工作可靠、模塊易于集成；

4）采用高精度的多傳感器和高速信號處理技術，使系統的實時性能突出；

5）軟件功能完善，操作簡單，設定好后，可無人干預工作，方便查詢；

6）采用數據庫技術，使處理系統設計理念先進，效果良好；

7）系統結構緊湊，方便布置，價格便宜便于安裝；

8）整個系統網絡組織工作可靠，功能強大。

4 結束語

該系統為油田采油現場設備運行工況數字化的實施開創了一種新機制，新理念，新思，是集溫度傳感與監測、電導率傳感與監測、液位傳感與監測、以及控制系統于一體的新型檢測系統。該系統是集溫度檢測和傳感技術、電導率傳感技術、電子液位傳感技術、數據采集與通信技術、精密機械技術、自動控制技術等于一體的多種技術的結合，它具有功能強、精度高、理念先進等特點，是多學科交叉結合于工程應用的典范。具有很高的推廣應用價值。

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